恒張力絞車響應(yīng)性能分析和優(yōu)化

楊朋朋， 張冰蔚， 朱鵬程， 彭永健， 楊 濤

(1. 無錫德林防務(wù)裝備股份有限公司， 江蘇無錫 214000； 2. 江蘇科技大學(xué)， 江蘇鎮(zhèn)江 212000)

引言

小艇收放裝置是一種應(yīng)用于船舶上的特種起放設(shè)備，主要功能是在母船上降放和回收工作艇。它可以在復(fù)雜的海況下，母船搖擺運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行工作艇的收放操作，有著普通吊艇架無法比擬的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于海上艦船補(bǔ)給、人員救護(hù)、海上巡邏護(hù)航等具有重要意義，應(yīng)用前景十分廣闊[1]。波浪補(bǔ)償恒張力絞車作為小艇收放裝置的主要部件，除了需要完成小艇的提升和下放動(dòng)作，同時(shí)還要保證小艇在接觸海面狀態(tài)時(shí)，保持鋼絲繩的張緊狀態(tài)，最后還要保證小艇脫鉤后吊環(huán)迅速提升，使吊環(huán)迅速遠(yuǎn)離艇上人員，避免吊環(huán)的擺蕩碰傷艇員，實(shí)現(xiàn)小艇的安全釋放。本研究主要介紹了在設(shè)計(jì)與調(diào)試小艇收放裝置時(shí)出現(xiàn)的絞車波浪補(bǔ)償響應(yīng)性能問題，并進(jìn)行了原因分析和設(shè)計(jì)改進(jìn)。

1 恒張力絞車組成和液壓原理介紹

小艇收放裝置恒張力絞車如圖1所示，傳動(dòng)部件主要由卷筒、大齒輪1、卷筒軸、齒輪軸、大齒輪2、離合齒輪、減速機(jī)和馬達(dá)組成。絞車工作時(shí)，該恒張力絞車具有高扭矩低轉(zhuǎn)速和小扭矩高轉(zhuǎn)速2種工況，通過液壓馬達(dá)的排量控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)2種工況的切換。正常工作模式具有高扭矩低轉(zhuǎn)速特性，用于工作艇的正常起升和下降；恒張力絞車的恒張力模式具有低扭矩、高響應(yīng)速度特性，用于小艇在波動(dòng)海面上的顛簸中保持卷筒上鋼索始終是張緊狀態(tài)，即被動(dòng)波浪補(bǔ)償作用，這樣能夠確保工作艇在高海況下安全收放，防止對(duì)小艇和鋼索產(chǎn)生大的沖擊，確保小艇的安全釋放；同時(shí)能減少工作艇的擺動(dòng)，保持工作艇的姿態(tài)平穩(wěn)，并且避免風(fēng)浪造成工作艇的傾覆。小艇收放裝置波浪補(bǔ)償絞車系統(tǒng)液壓原理圖如圖2所示：其回路主要由恒壓變量泵1、先導(dǎo)溢流閥2、比例換向閥3、電磁通斷閥4、7、恒張力溢流閥5、單向閥6、平衡閥8和變量馬達(dá)9組成。絞車正常收放工作時(shí)，恒壓變量泵作為油源，電磁通斷閥4關(guān)閉，油液經(jīng)比例換向閥3，平衡閥8和馬達(dá)9構(gòu)成正常收放回路，此時(shí)電磁閥Y32斷電，馬達(dá)處在大排量狀態(tài)；絞車恒張力狀態(tài)時(shí)，恒壓變量泵作為油源，電磁通斷閥4打開，比例換向閥斷電，油液經(jīng)電磁通斷閥4、單向閥6、電磁通斷閥7、馬達(dá)9和恒張力溢流閥5構(gòu)成恒張力回路，此時(shí)電磁閥Y32通電，馬達(dá)處在小排量狀態(tài)。

1.卷筒 2.大齒輪1 3.卷筒軸 4.齒輪軸 5.大齒輪2 6.離合齒輪 7.減速機(jī) 8.馬達(dá)軸

2 恒張力響應(yīng)問題介紹

在恒張力調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)：

(1) 絞車進(jìn)入恒張力狀態(tài)后，調(diào)節(jié)恒張力溢流閥，使鋼索恒張力值為額定值，鋼索張緊狀態(tài)下脫開吊環(huán)，吊環(huán)提升加速緩慢，且速度始終不能滿足額定快速提升要求；

(2) 絞車進(jìn)入恒張力狀態(tài)后，調(diào)節(jié)恒張力溢流閥，使鋼索恒張力值遠(yuǎn)大與額定值，鋼索張緊狀態(tài)下脫開吊環(huán)，吊環(huán)提升加速變快，速度能夠滿足額定快速提升要求；

(3) 絞車進(jìn)入恒張力狀態(tài)后，調(diào)定恒張力溢流閥，反復(fù)進(jìn)入和退出恒張力狀態(tài)，鋼索恒張力值變化比較大。

1.恒壓變量泵 2.先導(dǎo)溢流閥 3.比例換向閥 4、7.電磁通斷閥 5.恒張力溢流閥 6.單向閥 8.平衡閥 9.變量馬達(dá)

3 問題分析

3.1 問題簡(jiǎn)析

在排除恒壓變量泵的排量不足和液壓元器件損壞導(dǎo)致上述問題的可能后，其他有可能導(dǎo)致恒張力絞車恒張力狀態(tài)下脫鉤后提升速度慢的原因還有以下幾個(gè)方面：

(1) 恒張力絞車等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大：馬達(dá)輸出扭矩不足，絞車回轉(zhuǎn)加速度小，導(dǎo)致吊環(huán)提升加速緩慢：恒張力值的設(shè)定是在絞車靜態(tài)下設(shè)置的，前期沒有考慮在動(dòng)態(tài)卷揚(yáng)時(shí)絞車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)性能的影響；

(2) 溢流閥5溢流，對(duì)于溢流閥[2]，當(dāng)溢流量增加時(shí)，閥芯上升，閥口開度加大，溢流閥進(jìn)口壓力亦加大。反之亦然。由于恒張力溢流閥5是在脫鉤前設(shè)定，此時(shí)溢流閥處在全溢流狀態(tài)，而脫鉤后溢流閥5是否仍有溢流則需要進(jìn)行分析確定。

表1 絞車傳動(dòng)部件參數(shù)表

注：卷筒上鋼絲繩纏繞直徑D=352 mm，減速機(jī)減速比ij=6。

3.2 詳細(xì)分析

1) 絞車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量因素分析

絞車主要組成部件得各物理參數(shù)參見表1，其中吊環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是指其向卷筒軸心的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，卷筒、軸、齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為各回轉(zhuǎn)體繞其本身回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，減速機(jī)輸出軸和馬達(dá)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為其本身回轉(zhuǎn)組件在各自輸出軸端的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

參考理論力學(xué)[2]中動(dòng)量矩定理可以求得以下系列公式：

齒輪系的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)換公式：

(1)

式中,Ji—— 輸入軸端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

J0—— 輸出軸端轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

i—— 減速比，輸入端與輸出端比值

依據(jù)齒輪系的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)換公式，將絞車所有傳動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量向馬達(dá)輸出軸端轉(zhuǎn)換，得到馬達(dá)輸出軸端的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

(2)

將表1參數(shù)值帶上式可求得：

Jmot=72204 kg·mm2

設(shè)定絞車恒張力狀態(tài)吊環(huán)脫鉤后的卷筒角加速度α,則吊環(huán)加速度為：

(3)

式中，a—— 吊環(huán)脫鉤后的加速度

α—— 卷筒角加速度

D—— 卷筒輪轂直徑

卷筒角加速度：

(4)

式中,α—— 卷筒角加速度

i—— 馬達(dá)輸出軸到卷筒軸的減速比

αmot—— 馬達(dá)角加速度

馬達(dá)角加速度：

(5)

式中，αmot—— 馬達(dá)角加速度

Mmot—— 馬達(dá)扭矩

Jmot—— 馬達(dá)輸出軸總的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

馬達(dá)扭矩：

(6)

式中， Δp—— 馬達(dá)口壓力差

V—— 波浪補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)馬達(dá)排量

由式(3)～式(5)可以推導(dǎo)出：

(7)

恒張力狀態(tài)時(shí)絞車的波浪補(bǔ)償力和波浪補(bǔ)償速度可調(diào)，對(duì)于此型工作艇和工作海況要求，波浪補(bǔ)償力的設(shè)定值為F=10000 N，對(duì)應(yīng)卷筒扭矩為：

(8)

(9)

將式(9)代入式(7)可得：

a=6.4 m2/s

(10)

式中，v—— 波浪補(bǔ)償速度

t—— 吊環(huán)脫鉤后達(dá)到波浪補(bǔ)償速度所需時(shí)間

而波浪補(bǔ)償速度v=100 m/min，可知理論上吊環(huán)脫鉤后只需0.26 s即可達(dá)到所需補(bǔ)償速度，然而實(shí)際中，脫鉤后直到速度穩(wěn)定(耗時(shí)5 s以上)也未達(dá)到所需速度值。

至此可知，恒張力絞車轉(zhuǎn)動(dòng)慣量因素對(duì)恒張力脫鉤后速度響應(yīng)的影響可以忽略。

2) 溢流閥跑油因素的分析

已知恒張力狀態(tài)時(shí)液壓系統(tǒng)流量為141 L/min，恒張力溢流閥型號(hào)為RDFA-LWN，其“壓力-流量”特性，溢流閥在零流量下初始?jí)毫υO(shè)定在7，14,21,28 MPa，溢流閥的實(shí)際開啟壓力隨實(shí)際通過流量的變化曲線如圖3所示[3]。脫鉤前系統(tǒng)所有流量都從恒張力溢流閥通過。

圖3 溢流閥壓力流量特性曲線

由式(6)、式(9)可得：

(11)

實(shí)測(cè)馬達(dá)Δp=10 MPa，代入式(11)可知此時(shí)馬達(dá)排量為42.7 mL/r。

直動(dòng)式溢流閥的“壓力-流量”特性方程[4]為：

(12)

式中，q—— 溢流閥溢流時(shí)通過閥口流量

C—— 與溢流閥結(jié)構(gòu)本身有關(guān)的常量

p—— 流量q對(duì)應(yīng)的溢流閥進(jìn)口壓力

pc—— 溢流閥開啟壓力設(shè)定值

ρ—— 液壓油密度

波浪補(bǔ)償狀態(tài)時(shí)實(shí)測(cè)一組數(shù)據(jù)如下：

波浪補(bǔ)償脫鉤前溢流閥通過流量q1=141 L/min

波浪補(bǔ)償脫鉤前溢流閥進(jìn)口壓力設(shè)定p1=9 MPa

波浪補(bǔ)償脫鉤后溢流閥進(jìn)口壓力p2=7.5 MPa

溢流閥開啟壓力實(shí)測(cè)值pc=6.1 MPa

將以上參數(shù)帶入式(12)，可以求得：

q2即為波浪補(bǔ)償脫鉤后溢流閥通過的流量。

所以脫鉤后實(shí)際通過馬達(dá)的流量為：78.9 L/min

此時(shí)可以算得卷筒卷揚(yáng)速度為79 m/min，與實(shí)際測(cè)量值70～80 m/min的速度范圍相符合，考慮到每次測(cè)量誤差和溢流閥壓力波動(dòng)[5-7]的存在，理論計(jì)算分析和實(shí)際測(cè)量情況是吻合的。

根據(jù)上述分析可知，恒張力脫鉤后絞車速度響應(yīng)慢的問題是由于恒張力溢流閥5跑油引起的，由于恒張力溢流閥5是在脫鉤前設(shè)定，此時(shí)溢流閥處在通流量最大狀態(tài)，而脫鉤后由于系統(tǒng)壓力(即溢流閥5進(jìn)口壓力)仍大于溢流閥對(duì)應(yīng)的開啟壓力，因此吊環(huán)脫鉤后溢流閥5仍然有通流量存在，導(dǎo)致實(shí)際進(jìn)入液壓馬達(dá)的油量比理想中的小很多，進(jìn)而導(dǎo)致了前述問題的產(chǎn)生。這個(gè)狀況可以通過選擇具有合適功率域的溢流閥來進(jìn)行改善，但由于溢流閥固有特性的存在，此問題不能徹底避免[8]。

4 改進(jìn)方案

根據(jù)上述分析，恒張力絞車響應(yīng)性能的問題是由恒張力溢流閥動(dòng)態(tài)溢流所導(dǎo)致，因此結(jié)合恒壓系統(tǒng)特點(diǎn)，改進(jìn)了液壓系統(tǒng)原理(見圖4)，重新制定了恒張力功能的實(shí)現(xiàn)方式：在恒壓變量泵的外控口處增加一個(gè)先導(dǎo)溢流閥10和電磁通斷閥11，對(duì)恒張力狀態(tài)時(shí)的系統(tǒng)壓力進(jìn)行設(shè)定，同時(shí)設(shè)置恒張力溢流閥5的開啟壓力略大于系統(tǒng)壓力，則此時(shí)恒壓變量泵工作狀態(tài)為：輸出壓力為恒張力壓力，由于此時(shí)系統(tǒng)壓力已經(jīng)達(dá)到恒壓變量泵的變量點(diǎn)，所以泵輸出流量幾乎為0，即恒張力溢流閥5此時(shí)的進(jìn)口壓力為開啟壓力。當(dāng)鋼絲繩吊環(huán)脫鉤后，負(fù)載壓力降低，恒壓變量泵全排量輸出，由于此時(shí)負(fù)載壓力小于溢流閥5的開啟壓力，所以液壓泵輸出流量全部供給液壓馬達(dá)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)絞車恒張力脫鉤后的快速提升。

1.恒壓變量泵 2、10.先導(dǎo)溢流閥 3.比例換向閥 4、7、11.電磁通斷閥 5.恒張力溢流閥 6.單向閥 8.平衡閥 9.變量馬達(dá)

改進(jìn)后進(jìn)行了重新調(diào)試，吊環(huán)脫鉤后只需0.5 s即可達(dá)到所需補(bǔ)償速度，滿足設(shè)備使用要求。

5 結(jié)論

本研究通過分析和優(yōu)化恒張力絞車響應(yīng)性能，得出在一些需要使用溢流閥工作在溢流狀態(tài)下的工況時(shí)，溢流閥的流量壓力特性直接影響到系統(tǒng)的響應(yīng)性能，壓力流量特性曲線與具體的壓力調(diào)定值相關(guān)，并受溢流流量的影響。同時(shí)，通過靈活使用具有外控先導(dǎo)功能的恒壓變量泵，可以得到控制策略多樣的恒壓系統(tǒng)。